Химики впервые перестроили атомные связи в одной молекуле

Если бы химики создавали автомобили, они бы заполнили завод автомобильными деталями, подожгли его и отсеяли из пепла части, которые теперь смутно напоминали автомобили. 

Когда вы имеете дело с автомобильными деталями размером с атом, это вполне разумный процесс. Однако химики жаждут найти способы уменьшить количество отходов и сделать реакции намного более точными.

Химическая инженерия сделала шаг вперед: исследователи из Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании, Университета Регенсбурга в Германии и IBM Research Europe заставили одну молекулу пройти ряд превращений с помощью ничтожно малого напряжения.

Обычно химики добиваются точности реакций, изменяя такие параметры, как pH, добавляя или удаляя доступные доноры протонов, чтобы управлять тем, как молекулы могут делиться или обмениваться электронами для образования связей.

"Однако с помощью этих средств условия реакции изменяются до такой степени, что основные механизмы, определяющие селективность, часто остаются неуловимыми", - отмечают исследователи в своем докладе, опубликованном в журнале Science.

Другими словами, сложность действующих сил, толкающих и тянущих большую органическую молекулу, может затруднить получение точных данных о том, что происходит на каждой связи.

Команда начала с вещества под названием 5,6,11,12-тетрахлортетрацен (формула C18H8Cl4) - молекулы на основе углерода, которая выглядит как ряд из четырех сотов с четырьмя атомами хлора, витающими вокруг, как голодные пчелы.

Нанеся тонкий слой материала на холодный, покрытый солью кусок меди, исследователи отогнали хлорных пчел, оставив горстку возбудимых атомов углерода, удерживающих неспаренные электроны в ряде родственных структур.

Два из этих электронов в некоторых структурах с радостью соединились друг с другом, изменив общую сотовую форму молекулы. Вторая пара также стремилась соединиться не только друг с другом, но и с любым другим доступным электроном, который мог пролететь мимо них.

Обычно такая шаткая структура существовала недолго, поскольку оставшиеся электроны тоже вступали в брак друг с другом. Но исследователи обнаружили, что эта конкретная система не была обычной.

С помощью легкого толчка напряжением от атомарного щипца для скота они показали, что могут заставить одну молекулу соединить вторую пару электронов таким образом, что четыре ячейки будут выровнены в так называемый изогнутый алкин.

При менее энергичном встряхивании эти электроны соединялись по-другому, искажая структуру совершенно иным образом в так называемое циклобутадиеновое кольцо.

Затем каждый продукт был возвращен в исходное состояние с помощью импульса электронов, готовый снова перевернуться по первому требованию.

Заставляя одну молекулу превращаться в различные формы, или изомеры, с помощью точных напряжений и токов, исследователи могут получить представление о поведении электронов, стабильности и предпочтительных конфигурациях органических соединений.

Отсюда можно было бы сократить поиск катализаторов, которые могли бы подтолкнуть крупномасштабную реакцию бесчисленных молекул в одном направлении, сделав реакцию более специфичной.

Предыдущие исследования использовали подобные методы для визуализации реконфигурации отдельных молекул и даже для манипулирования отдельными этапами химической реакции. Теперь мы разрабатываем новые методы изменения самих связей молекул для образования изомеров, которые в обычных условиях не так просто поменять местами.

Подобные исследования не только помогают сделать химию более точной, но и дают инженерам новые инструменты для производства машин в наномасштабе, деформируя углеродные каркасы в экзотические формы, которые были бы невозможны в обычной химии.

Это исследование было опубликовано в журнале Science.